《平面電磁波》課件

平面電磁波本課件介紹了平面電磁波的特性、傳播規(guī)律、應(yīng)用等。課程目標(biāo)了解平面電磁波的概念和性質(zhì)。掌握平面電磁波的傳播規(guī)律和邊界條件。熟悉平面電磁波在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的應(yīng)用。什么是電磁波光的本質(zhì)光是一種電磁波，是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直振蕩而形成的。頻率范圍電磁波的頻率范圍非常廣，從低頻的無(wú)線(xiàn)電波到高頻的伽馬射線(xiàn)。電磁波的特性1橫波電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直，也垂直于傳播方向。2速度恒定在真空中，電磁波傳播速度為光速，約為299,792,458米/秒。3頻率和波長(zhǎng)電磁波的頻率和波長(zhǎng)成反比，頻率越高，波長(zhǎng)越短。4能量傳遞電磁波攜帶能量，能量大小與頻率成正比。平面電磁波的定義1均勻性電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度在垂直于傳播方向的任意平面上都相同2線(xiàn)性性電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度方向保持不變3正弦性電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化呈正弦波形平面電磁波的波前和波面平面電磁波的波前是指在同一時(shí)刻，電磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的點(diǎn)的集合。波面是指在空間中，電磁場(chǎng)強(qiáng)度變化相同的點(diǎn)的集合。在平面電磁波中，波前是平面，波面也是平面，并且波前與波面相互平行。平面電磁波的波前和波面都垂直于電磁波的傳播方向。平面電磁波的輻射機(jī)理振蕩電荷產(chǎn)生電磁場(chǎng)當(dāng)電荷在空間中加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。加速運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)改變其周?chē)碾妶?chǎng)和磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)以波的形式傳播電磁場(chǎng)以波的形式傳播出去，形成電磁波，波速與光速相同。平面電磁波的基本參量波長(zhǎng)波長(zhǎng)是指相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的距離，通常用希臘字母λ表示。頻率頻率是指電磁波在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，通常用希臘字母ν表示。波速波速是指電磁波在介質(zhì)中傳播的速度，通常用字母c表示。振幅振幅是指電磁波的強(qiáng)度，通常用字母A表示。平面電磁波在空間的傳播均勻傳播在均勻介質(zhì)中，平面電磁波以恒定速度傳播。直線(xiàn)傳播在無(wú)障礙物的情況下，平面電磁波沿直線(xiàn)傳播。波速變化在不同介質(zhì)中，平面電磁波的傳播速度會(huì)發(fā)生改變。能量傳遞平面電磁波可以將能量從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。電流密度與電場(chǎng)的關(guān)系電流密度表示電流在單位面積上的強(qiáng)度。電場(chǎng)表示單位電荷受到的力。平面電磁波的邊界條件電場(chǎng)強(qiáng)度切向分量連續(xù)磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量連續(xù)介質(zhì)界面處邊界條件完全導(dǎo)體表面的邊界條件電場(chǎng)強(qiáng)度為零在完全導(dǎo)體表面，電場(chǎng)強(qiáng)度為零。這是因?yàn)閷?dǎo)體內(nèi)的自由電荷會(huì)在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)，直到電場(chǎng)強(qiáng)度為零。磁場(chǎng)強(qiáng)度平行于表面在完全導(dǎo)體表面，磁場(chǎng)強(qiáng)度平行于表面。這是因?yàn)榇艌?chǎng)線(xiàn)不能穿透完全導(dǎo)體。平面電磁波在完全導(dǎo)體表面?zhèn)鞑?電場(chǎng)垂直于導(dǎo)體表面電場(chǎng)與導(dǎo)體表面垂直，則電磁波無(wú)法進(jìn)入導(dǎo)體，只會(huì)在導(dǎo)體表面?zhèn)鞑ァ?電場(chǎng)平行于導(dǎo)體表面電場(chǎng)與導(dǎo)體表面平行，則電磁波會(huì)進(jìn)入導(dǎo)體，但由于導(dǎo)體內(nèi)部的電流會(huì)抵消電場(chǎng)，電磁波無(wú)法深入傳播。3表面電流導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生表面電流，以抵消電場(chǎng)，導(dǎo)致電磁波在導(dǎo)體表面?zhèn)鞑?。平面電磁波在完全?dǎo)體表面的反射1入射波當(dāng)平面電磁波入射到完全導(dǎo)體表面時(shí)，它會(huì)發(fā)生反射。2反射波反射波的頻率和波長(zhǎng)與入射波相同，但傳播方向相反。3反射角反射角等于入射角。4電場(chǎng)方向反射波的電場(chǎng)方向與入射波的電場(chǎng)方向相反。平面電磁波在完全導(dǎo)體表面的折射1角度入射角等于反射角2方向折射波方向與入射波方向相反3速度折射波在完全導(dǎo)體中速度為零平面電磁波的極化電場(chǎng)方向描述電磁波極化狀態(tài)，即電場(chǎng)矢量方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。線(xiàn)性極化電場(chǎng)矢量始終在某一固定方向上振動(dòng)。圓極化電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)在與傳播方向垂直的平面上作圓周運(yùn)動(dòng)。橢圓極化電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)在與傳播方向垂直的平面上作橢圓運(yùn)動(dòng)。線(xiàn)性極化垂直極化電場(chǎng)矢量垂直于傳播方向并保持不變。水平極化電場(chǎng)矢量平行于傳播方向并保持不變。圓極化和橢圓極化圓極化電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面上以恒定半徑旋轉(zhuǎn)，形成圓形軌跡。橢圓極化電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面上以恒定半徑旋轉(zhuǎn)，形成橢圓形軌跡。平面電磁波的能量流1方向能量流方向與電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的叉積方向一致。2大小能量流的大小等于電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的乘積。波功率密度向量(指向性)定義描述電磁波能量在空間傳播的方向和強(qiáng)度的向量。表達(dá)式S=1/2*E×H方向與電場(chǎng)和磁場(chǎng)垂直，指向能量傳播方向。大小表示單位面積上的電磁波功率，單位為瓦特/平方米。平面電磁波在各向同性介質(zhì)中的傳播1介質(zhì)性質(zhì)各向同性介質(zhì)是指電磁波在各個(gè)方向上的傳播速度相同。2波速變化平面電磁波在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，波速會(huì)發(fā)生變化。3波阻抗變化平面電磁波在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，波阻抗也會(huì)發(fā)生變化。平面電磁波在各向異性介質(zhì)中的傳播介質(zhì)特性各向異性介質(zhì)中，電磁波的傳播速度和方向會(huì)隨傳播方向而改變。雙折射現(xiàn)象在各向異性介質(zhì)中，入射的電磁波會(huì)分裂成兩個(gè)偏振方向不同的波，即尋常光和非常光。應(yīng)用該特性在光學(xué)儀器、液晶顯示器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。平面電磁波的應(yīng)用場(chǎng)景5G毫米波通信毫米波具有高頻段，帶寬大，能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。雷達(dá)系統(tǒng)雷達(dá)利用平面電磁波探測(cè)目標(biāo)的位置和速度。微波加熱微波爐利用平面電磁波加熱食物，效率更高。5G毫米波通信高頻段5G毫米波通信使用高頻段，能夠提供更高的帶寬和更快的傳輸速度。短距離由于信號(hào)傳播距離短，需要在密集區(qū)域部署大量基站，適合城市環(huán)境。高容量5G毫米波通信能夠滿(mǎn)足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等應(yīng)用對(duì)高容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。雷達(dá)系統(tǒng)1電磁波發(fā)射雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射電磁波，并接收反射回來(lái)的信號(hào)。2目標(biāo)探測(cè)根據(jù)接收到的信號(hào)，雷達(dá)系統(tǒng)可以確定目標(biāo)的距離、方位和速度。3廣泛應(yīng)用雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、航空管制、導(dǎo)航、軍事等領(lǐng)域。微波加熱微波加熱原理微波加熱利用電磁波的能量，使物質(zhì)中的極性分子發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生熱量?？焖偌訜嵛⒉訜崴俣瓤?，可以節(jié)省時(shí)間和能源。均勻加熱微波加熱可以